Trong mật mã học, các thuật toán khóa đối xứng (tiếng Anh: symmetric-key algorithms) là một lớp các thuật toán mật mã hóa trong đó các khóa dùng cho việc mật mã hóa và giải mã có quan hệ rõ ràng với nhau (có thể dễ dàng tìm được một khóa nếu biết khóa kia).
Khóa dùng để mã hóa có liên hệ một cách rõ ràng với khóa dùng để giải mã có nghĩa chúng có thể hoàn toàn giống nhau, hoặc chỉ khác nhau nhờ một biến đổi đơn giản giữa hai khóa. Trên thực tế, các khóa này đại diện cho một bí mật đƣợc phân hƣởng bởi hai bên hoặc nhiều hơn và đƣợc sử dụng để giữ gìn sự bí mật trong kênh truyền thông tin.
Thuật toán đối xứng có thể đƣợc chia ra làm hai thể loại, mật mã luồng (stream ciphers) và mật mã khối (block ciphers). Mật mã luồng mã hóa từng bit của thông điệp trong khi mật mã khối gộp một số bit lại và mật mã hóa chúng nhƣ một đơn vị. Cỡ khối đƣợc dùng thƣờng là các khối 64 bit. Thuật toán tiêu chuẩn mã hóa tân tiến (Advanced Encryption Standard), đƣợc NIST
công nhận tháng 12 năm 2001, sử dụng các khối gồm 128 bit.
Các thuật toán đối xứng thƣờng không đƣợc sử dụng độc lập. Trong thiết kế của các hệ thống mật mã hiện đại, cả hai thuật toán bất đối xứng và thuật toán đối xứng đƣợc sử dụng phối hợp để tận dụng các ƣu điểm của cả hai. Những hệ thống sử dụng cả hai thuật toán bao gồm SSL (Secure Sockets
Layer), PGP (Pretty Good Privacy) và GPG (GNU Privacy Guard)... Các thuật toán chìa khóa bất đối xứng đƣợc sử dụng để phân phối chìa khóa mật cho thuật toán đối xứng có tốc độ cao hơn.
Một số ví dụ các thuật toán đối xứng nổi tiếng bao gồm Twofish, Serpent, AES (còn đƣợc gọi là Rijndael), Blowfish, CAST5, RC4, Tam phần DES (Triple DES), và IDEA (International Data Encryption Algorithm - Thuật toán mật mã hóa dữ liệu quốc tế).
Các thuật toán đối xứng nói chung đòi hỏi công suất tính toán ít hơn các thuật toán khóa bất đối xứng. Trên thực tế, một thuật toán khóa bất đối xứng có khối lƣợng tính toán nhiều hơn gấp hằng trăm, hằng ngàn lần một thuật toán khóa đối xứng có chất lƣợng tƣơng đƣơng.
Hạn chế của các thuật toán khóa đối xứng bắt nguồn từ yêu cầu về sự phân hƣởng chìa khóa bí mật, mỗi bên phải có một bản sao của chìa. Do khả năng các chìa khóa có thể bị phát hiện bởi đối thủ mật mã, chúng thƣờng phải đƣợc bảo an trong khi phân phối và trong khi dùng. Hậu quả của yêu cầu về việc lựa chọn, phân phối và lƣu trữ các chìa khóa một cách không có lỗi, không bị mất mát là một việc làm khó khăn, khó có thể đạt đƣợc một cách đáng tin cậy.
Để đảm bảo giao thông liên lạc an toàn cho tất cả mọi ngƣời trong một nhóm gồm n ngƣời, tổng số lƣợng chìa khóa cần phải có là n(n-1)/2.
Các thuật toán khóa đối xứng không thể dùng cho mục đích xác minh hay mục đích chống thoái thác.